Alai

Esenciální a neesenciální aminokyseliny

Nesenciální aminokyseliny jsou ty, které jsou syntetizovány savci, zatímco esenciální aminokyseliny musí být získávány ze zdrojů potravy. Proč by se měl organismus vyvinout tak, že by nemohl existovat při absenci některých aminokyselin? Pravděpodobně proto, že pohotová dostupnost těchto aminokyselin v nižších organismech (rostlinách a mikroorganismech) odstranila potřebu vyššího organismu pokračovat v jejich produkci. Cesty pro jejich syntézu byly vyřazeny. Nemuset syntetizovat dalších deset aminokyselin (a regulovat jejich syntézu) tedy představuje velkou úsporu.Nicméně nám zbývá seznámit se se syntetickými cestami pro tyto esenciální aminokyseliny u rostlin a mikroorganismů a ukazuje se, že jsou obecně složitější než cesty pro syntézu neesenciálníchaminokyselin a jsou také druhově specifické.

Dvacet aminokyselin lze rozdělit do dvou skupin po deseti aminokyselinách. Deset z nich je esenciálních a deset neesenciálních. To však ve skutečnosti není přesnáichotomie, protože obě skupiny se překrývají, jak je uvedeno v textu doprovázejícím následující dvě tabulky:

Všimněte si, že tyrosin je skutečně esenciální aminokyselina, protože se syntetizuje hydroxylací fenylalaninu, esenciální aminokyseliny.Také u živočichů je sulfhydrylová skupina cysteinu odvozena od methioninu,který je esenciální aminokyselinou, takže cystein lze rovněž považovat za esenciální.

Deset „esenciálních“ aminokyselin je následujících:

Arginin je syntetizován savci v cyklu močoviny, ale většina ho hydrolyzuje na močovinu a ornitin:

(Odkaz na dr. Diwana o katabolismu aminokyselin, kde najdete více informací o hydrolýze močoviny a také přehled katabolismu aminokyselin)

Protože savci nedokáží syntetizovat dostatečné množství argininu k uspokojení metabolických potřeb kojenců a dětí, je klasifikován jako esenciální aminokyselina.

Syntéza neesenciálních aminokyselin

S výjimkou tyrosinu (protože jeho bezprostředním prekurzorem je fenylalanin, esenciálníaminokyselina) jsou všechny neesenciální aminokyseliny (a sem zařadíme i arginin) syntetizovány z meziproduktů hlavních metabolickýchcest. Uhlíkové skelety těchto aminokyselin jsou navíc sledovatelné k odpovídajícím a-ketokyselinám. Proto by mohlo být možné syntetizovat kteroukoli z neesenciálních aminokyselin přímo transaminací odpovídající a-ketokyseliny, pokud tato ketokyselina existuje jako společný meziprodukt. „Transaminační reakce“, při níž se aminoskupina přenáší z aminokyseliny na a-uhlík ketokyseliny, je katalyzována aminotransferázou.

Tři velmi běžné a-ketokyseliny lze transaminovat v jednom kroku na odpovídající aminokyselinu:

Pyruvát (konečný produkt glykolýzy) –> alanin

Oxaloacetát (meziprodukt cyklu kyseliny citronové) –> aspartát

a-ketoglutarát (meziprodukt cyklu kyseliny citronové) –> glutamát

Jednotlivé reakce jsou:

Asparagin a glutamin jsou produkty amidace aspartátu, resp. glutamátu. Asparagin a glutamin a zbývajícínezbytné aminokyseliny tedy nejsou přímo výsledkem transaminace a-ketokyselin, protože nejsou běžnými meziprodukty jiných drah. Přesto budeme schopni vysledovat uhlíkové skelety všech těchto aminokyselin zpět k a-ketokyselině.Tento bod neuvádím proto, že by z něj vyplývaly nějaké hluboké důsledky, ale spíše jako způsob, jak zjednodušit učení o syntetických cestách tehdejších neesenciálních aminokyselin.

Aspartát je transaminován na asparagin v ATP-dependentní reakci katalyzované asparaginsyntetázou a glutamin je donorem aminoskupiny:

Syntéza glutaminu je dvoustupňová, při níž je glutamát nejprve „aktivován“ na meziprodukt g-glutamylfosfát, po němž následuje reakce, při níž NH3 vytěsňuje fosfátovou skupinu:

Syntéza asparaginu je tedy neoddělitelně spjata se syntézou glutaminu a ukazuje se, že glutamin je donorem aminoskupiny při tvorbě mnoha biosyntetických produktů a je také zásobní formou NH3. Dalo by se tedy očekávat, že glutamin syntetáza, enzym zodpovědný za amidaci glutamátu, hraje ústřední roli v regulaci metabolismu dusíku. Nyní se touto regulací budeme zabývat podrobněji, než přejdeme k biosyntéze zbývajících neesenciálních aminokyselin.

Již dříve jste studovali oxidativní deaminaci glutamátu pomocíglutamátdehydrogenázy, při níž vzniká NH3 a a-ketoglutarát. Vzniklý a-ketoglutarát je pak k dispozici pro přijímání aminoskupin v dalších transaminačních reakcích, ale akumulace amoniaku jako druhého produktu této reakce je problematická, protože ve vysokých koncentracích je toxický. Aby se hladina NH3 udržela v kontrolovaném rozmezí, stoupající hladina a-ketoglutarátu aktivuje glutamin-syntetázu, čímž se zvyšuje produkce glutaminu, který odevzdává svou aminoskupinu v různých dalších reakcích.

Regulace glutamin-syntetázy byla studována v E.Coli, a přestože je komplikovaná, stojí za to podívat se na některé její vlastnosti, protože nám to umožní lépe pochopit regulaci vzájemně se křížících metabolických drah. Rentgenová difrakce krystalů enzymu odhaluje strukturu hexagonálního hranolu (symetrie D6) složeného z 12 identických podjednotek. Aktivita enzymu je řízena 9 alosterickými zpětnovazebními inhibitory, z nichž 6 jsou koncové produkty drah zahrnujících glutamin:

histidin

tryptofan

karbamoylfosfát (syntetizovaný z karbamoylfosfát syntázy II)

glukosamin-6-fosfát

AMP (viz další přednáška)

CTP (viz další přednáška)

Zbylé tři efektory jsou alanin, serin aglycin, které nesou informaci o hladině dusíku v buňce.

Enzym je také regulován kovalentní modifikací (adenylací tyrrezidu), která má za následek zvýšení citlivosti na kumulativní zpětnou vazbuinhibici výše uvedenými devíti efektory. Adenylyltransferáza je enzym, který katalyzuje jak adenylylaci, tak deadenylylaci glutaminsyntázy E. coli, a tento enzym je komplexován s tetramerním regulačním proteinem PII. regulace adenylylace a její zpětné vazby probíhá na úrovni PII,v závislosti na uridylylaci dalšího Tyr zbytku, který se nachází na PII.Když je PII uridylován, glutamin syntetáza je deadenylována; k tomu dochází naopak, když je UMP kovalentně navázán na Tyr zbytek PII. úroveň uridylace je zase regulována aktivitou dvouenzymů, uridyltransferázy a enzymu odstraňujícího uridylyl, které se nacházejí na stejném proteinu. Uridyltransferáza je aktivována a-ketoglutarátem a ATP, zatímco je inhibována glutaminem a Pi.

Následující schéma shrnuje regulaci bakteriální glutaminosyntázy (viz text str. 1035) :

Tuto regulační kaskádu si můžeme „projít“ na konkrétním příkladu, a to na zvýšené hladině a-ketoglutarátu( odrážející odpovídající zvýšení hladiny NH3):

(1) aktivita uridyltransferázy je zvýšena

(2) PII (v komplexu s adenyltransferázou) je uridylován

(3) glutamin syntetáza je deadenylována

(4) a-ketoglutarát a NH3 tvoří glutamin a Pi

To, že řízení bakteriální glutamin syntetázy je mimořádně citlivé na hladinu dusíkatých metabolitů buňky, ilustruje skutečnost, že glutamin právě vyrobený ve výše uvedené kaskádě je nyní inhibitorem další produkce glutaminu.

Cvičení ve třídě:

Prolin, ornitin a arginin jsou odvozeny od glutamátu

První krok zahrnuje fosforylaci glutamátu pomocí ATP s enzymem g-glutamylkinázou, po níž následuje redukce na glutamát-5-semialdehyd, který spontánněcykluje (bez potřeby enzymu) na vnitřní Schiffovu bázi. Tvorba semialdehydu rovněž vyžaduje přítomnost NADP nebo NADPH.

Semialdehyd je však odbočkou. Jedna větev vede k prolinu, zatímco druhá větev vede k ornitinu a argininu. Glutamát-5-semialdehydje transaminován na ornitin a glutamát je donorem aminoskupiny. Ornitin, meziprodukt cyklu močoviny, se prostřednictvím cyklu močoviny přeměňuje na arginin.

Pro další zdůraznění významu glutamátu je přeměněn na fyziologicky aktivní amin, kyselinu g-aminomáselnou (GABA), hlavní inhibiční neurotransmiter v mozku:

Glykolytický meziprodukt, 3-fosfoglycerát, je přeměněn na serin,cystein a glycin.

Všimněte si účasti glutamátu jako donoru aminoskupiny. Serin se přeměňuje na glycin v následující reakci:

serin + THF –> glycin + N5,N10 -methylen-THF (enzym: serinhydroxymethyltransferasa)

Glycin se také tvoří v kondenzační reakci takto:

N5,N10 -methylen-THF + CO2 + NH4+ –> glycin (enzym: glycin-syntáza; vyžaduje NADH)

Cystein se syntetizuje ze serinu a homocysteinu (produkt rozkladu methioninu):

ser + homocystein ->cystathionin + H2O

cystathionin + H2O –> a-ketobutyrát + cystein + NH3

Syntéza esenciálních aminokyselin

Syntetické cesty pro esenciální aminokyseliny jsou:

(1) jsou přítomny pouze v mikroorganismech

(2) jsou podstatně složitější než u neesenciálních aminokyselin

(3) používají známé metabolické prekurzory

(4) vykazují druhovou variabilitu

Pro účely klasifikace uvažujme následující 4 „rodiny“, které jsou založeny na společných prekurzorech:

(1) Aspartátová rodina: lysin,methionin,threonin

(2) Pyruvátová rodina: leucin,isoleucin, valin

(3) Aromatická rodina:fenylalanin, tyrosin, tryptofan

(4) Histidin

Aspartokinázová rodina

Prvním závazným krokem pro syntézu Lys, Met a Thr je první krok, ve kterém je aspartát fosforylován na aspartyl-b-fosfát, katalyzovaný aspartokinázou:

E.coli má 3 izozymy aspartokinázy, které reagují odlišně na každou ze 3 aminokyselin, pokud jde o inhibici enzymu a zpětnou inhibici. Biosyntéza lysinu, methioninu a threoninu tedy není řízena jako skupina.

Dráha od aspartátu k lysinu má 10 kroků.

Dráha od aspartátu k threoninu má 5 kroků

Dráha od aspartátu k methioninu má 7 kroků

Regulace těchto tří drah probíhá také ve dvou bodech větvení:

b-Aspartát-semialdehyd (homoserin a lysin)

Homoserin (threonin a methionin)

Regulace je výsledkem zpětnovazební inhibice produkty aminokyselin z větví, které jsou uvedeny v závorkách výše.

Budeme se zabývat jedním důležitým krokem v syntéze této skupiny 3 aminokyselin, a to krokem, ve kterém se homocystein přeměňuje na methionin,katalyzovaný enzymem methioninsyntázou:

V této reakci je homocystein methylován na methionin a C1donorem je N5-methyl-THF. Všimněte si, že enzym se nazývá „syntáza“ spíše než syntetáza, protože reakce je kondenzační reakcí, při níž se ATP (nebo jiný nukleosidtrifosfát) nepoužívá jako zdroj energie, což je třeba porovnat se „syntetázou“, při níž je NTP vyžadován jako zdroj energie.Na tuto reakci lze také pohlížet jako na přenos amethylové skupiny z N5-methyl-THF na homocystein, takže jiný název pro enzym, který ji katalyzuje, je homocysteinemethyltransferáza.

Je rozumné přezkoumat reakce, při nichž se přidává jednotka C1k metabolickému prekurzoru , protože tyto reakce se při našem studiu biochemických drah vyskytují velmi často. Již jste viděli přenos akarboxylové skupiny z biotinového kofaktoru pyruvátkarboxylázy na pyruvát za vzniku oxalacetátu (proč se tomu neříká „transferáza“ nebo „syntáza“?). Většina karboxylačních reakcí využívá biotin jako kofaktor.Studovali jste také odbourávání methioninu, při kterém první krok zahrnujepřenos adenosinu na methionin za vzniku S-denosylmethioninu (SAM). Methylová skupina na sulfoniovém iontu SAM je vysoce reaktivní, takže není překvapivé, že SAM je v některých reakcích methylačním činidlem.Tetrahydrofoláty jsou také C1 donátory a na rozdíl od karboxylací a methylací SAM mohou THF přenášet C1jednotky ve více než jednom oxidačním stavu.

N5-methyl-THF ,jak jsme právě viděli, přenáší methyloskupinu (-CH3), ve které je oxidační stupeň C methanolu(-4). N5,N10-methylen-THFpřenáší methylenovou skupinu(-CH2-) a oxidační stupeň je stupeň formaldehydu (0), zatímco N5-formimino-THFpřenáší formimino skupinu (-CH=NH), v níž je oxidační stupeň katomu mravenčan. Formylové (-CH=O) a methenylové (-CH=) skupiny jsou rovněž přenášeny THF a obě mají C na oxidační úrovni formátu (+2). Struktura THF je pro tyto přenosy vhodná díky svým skupinám N5 a N10, jak ukazuje následující chemická struktura:

S THF se znovu setkáme, až budeme studovat syntézu thymidylátu z dUMP, katalyzovanou enzymem thymidylátsyntázou, v níž je donorem methylu N5,N10-methylen-THF.

Rodina pyruvátů

Jedná se o aminokyseliny s „rozvětveným řetězcem“ a je užitečné si je zapamatovat jako skupinu nejen proto, že všechny pocházejí z pyruvátového uhlíkového skeletu, ale také proto, že onemocnění „nemoc javorového sirupu v moči“ (MSUD) je důsledkem nedostatku a-ketoaciddehydrogenázy s rozvětveným řetězcem, což vede k hromadění a-ketokyselin s rozvětveným řetězcem.

Podíváme se pouze na začátek a konec těchto drah:

První krok je společný pro všechny 3 aminokyseliny:

Pyruvát + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (katalyzuje acetolaktát syntáza)

Všimněte si, že centrální uhlíkový atom v hydroxyethyl-TPP je karbanion a je stabilizován rezonančními formami.

Hydroxyethyl-TPP může reagovat s dalším pyruvátem za vzniku a-acetolaktátu, v tom případě cesta směřuje k valinu a isoleucinu, nebo může reagovat s a-ketobutyrátem,v tom případě cesta vede k isoleucinu.

U a-ketoisovalerátu existuje bod větvení, který v jednom směru vede k valinu a v druhém směru k leucinu.

Konečný krok při vzniku každé z těchto aminokyselin zahrnuje přenos aminoskupiny z glutamátu na odpovídající a-ketokyselinu každé ze tří aminokyselin s rozvětveným řetězcem.Zde vidíme další příklad významu jedné konkrétní aminokyseliny, a to glutamátu, pro anabolické dráhy pro aminokyseliny.

Aromatické aminokyseliny:

Fosfoenolpyruvát (PEP), glykolytický meziprodukt, kondenzuje s erytróza-4-fosfátem, meziproduktem pentózofosfátové dráhy, za vzniku2-keto-3-deoxyarabinoheptulosonát-7-fosfátu a anorganického fosfátu. Zúčastněným enzymem je syntáza. Tento kondenzační produkt nakonec cyklizuje na chorismát.

Odtud se dráha větví a na jednom konci větve končí produkcí tryptofanu a na druhém konci tyrosinu a fenylalaninu.

Zmínku si zaslouží několik vrcholných bodů. Za prvé, glutamin hraje roli donora aminoskupiny k chorismátu za vzniku anthranilátu na větvi tryptofanu. bezprostředním prekurzorem tryptofanu je indol:

„Indolový kruh“ je charakteristickým rysem struktury tryptofanu. Všimněte si, že serin je donorem aminoskupiny k indolu za vznikutryptofanu.

Větev, která vede k tyrosinu a fenylalaninu, má další rozvětvení na prefenát. Jediný rozdíl mezi oběma výslednými aminokyselinami je, že para uhlík benzenového kruhu tyrosinu je hydroxylován. Ve skutečnosti je fenylalanin u savců přímo hydroxylován na tyrosin, což je katalyzováno enzymem fenylalaninhydroxylázou.

Fenylketonurie

Některé velmi důležité fyziologicky aktivní aminy jsou odvozeny od tyrosinu,jsou to L-DOPA, dopamin, noradrenalin a adrenalin. Cesta odtyrosinu k norepinefrinu je uvedena níže:

Tvorba epinefrinu z norepinefrinu zahrnuje přenos vysoce reaktivní methylové skupiny S-adenosylmethioninu na norepinefrin:

Struktura S-adenosylmethioninu ukazující jeho reaktivnímethylovou skupinu:

Biosyntéza histidinu:

Na tuto dráhu se podíváme trochu podrobněji, protože zahrnuje molekulu 5-fosforibosyl-a-pyrofosfát (kterou budeme od nynějška nazývat „PRPP“). PRPP se také podílí na syntéze purinů a pyrimidinů, jak si brzy ukážeme. V prvním kroku syntézy histidinů PRPP kondenzuje s ATP za vzniku purinu, N1-5′-fosforibosylATP, v reakci, která je poháněna následnou hydrolýzou kondenzovaného pyrofosfátu. Glutamin opět hraje roli donoru aminoskupiny, tentokrát za vzniku 5-aminoamidazol-4-karboximideribonukleotidu (ACAIR), který je meziproduktem v biosyntéze purinů.

Histidin je zvláštní tím, že jeho biosyntéza je neodmyslitelně spjata s cestami tvorby nukleotidů. Histidinové zbytky se často nacházejí v enzymově aktivních místech, kde chemie imidazolového kruhu histidinu z něj činí anukleofil a dobrý katalyzátor kyselin a zásad. Nyní víme, že RNA může mítkatalytické vlastnosti, a objevily se spekulace, že život byl původně založen na RNA. Možná, že přechod ke katalýze bílkovin od katalýzy RNAse odehrál při vzniku biosyntézy histidinu.

Z histidinu vzniká fyziologicky aktivní amin, histamin:

.